Разработка структурной схемы проектируемого устройства

1.2 Разработка структурной схемы проектируемого устройства

В данном разделе нужно представить структурную схему (Приложение 1) разрабатываемого устройства измерения градиента и напряжённости магнитного поля.

Структурной называется схема, которая определяет основные функциональные части изделия и связи между ними. Структурная схема лишь в общих чертах раскрывает назначение устройства и его функциональных частей. Она определяет основные функциональные части изделия, их назначение и взаимосвязи, и служит лишь для общего ознакомления с изделием.

Составные части проектируемого устройства изображаются упрощенно в виде прямоугольников произвольной формы, т. е. с применением условно-графических обозначений. Внутри каждого прямоугольника, функционального узла устройства, указаны наименования.

Устройство измерения напряжённости и градиента магнитного поля можно разбить на следующие функциональные узлы:

-блок питания- подаёт напряжение номиналом +5В, +12 В, +2.5 В;

-аккумуляторная батарея- источник питания +12.6 В 7 А-час;

-блок управления- генерирует сигналы сброса/установки;

-левый и правый датчик- магниторезистивные преобразователи;

-вычитатели- сравнивают данные левого и правого датчиков, на выходе образуется напряжение пропорциональное градиенту магнитного поля;

-вольтметр- измерят напряжение на выходах датчиков и вычитателей, пропорциональное напряжённости и градиенту магнитного поля;

1.3 Разработка и обоснование принципиальной схемы проектируемого устройства

1.3.1  Расчет узлов и блоков проектируемого устройства

Главным элементом схемы является магниторезистивный датчик HMC1022.

Магниторезистивные датчики отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Они применяются в магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.

Рис.1.3.1.1

Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.

Конструкция магниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает легкую ось, которая необходима для поддержания высокой чувствительности датчика, катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или металлическими предметами).

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.

К числу преимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:
• отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;
• широкий диапазон рабочих температур (от –55 до 150°С);
• датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;
• долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Для усиления выходного сигнала с датчиков производителем рекомендовано использовать аналоговые усилители на микросхемах AMP04 (DA1-DA4).

Для формирования сигналов служит генератор на микросхемах К561ЛЕ5.

Рекомендрванная схема включения датчика HMC1022 и аналогового усилителя AMP04 приведена на рисунке 1.3.1.2

рисунок1.3.1.2

Для установки нулевого сигнала в отсутствии магнитного поля на выходах DA1-DA4 используются цепочки R4R5R6, R7R8R9, R10R11R12,R13R14R15.

R4,R6,R7,R9,R10,R12,R13,R15= 100 кОм

R5,R8,R11,R14= 10 кОм

Коэффициент усиления DA1-DA4 усилителей (соответствующий коэффициент потребления 1В/Гс или 10мВ/Тл) задаётся с помощью резисторов R17,R20,R23,R26

R17,R20,R23,R26=470 Ом

Резисторы на выходах усилителей R29,R30,R31,R32 являются токоограничивающими

R29,R30,R31,R32= 100 Ом

Конденсаторы С19-С22 обеспечивают фильтрацию питания. Их величину выбираем из типовой схемы подключения DD3, DD4

Для формирования сигналов сброса-установки (S/R) служит генератор на микросхемах К561ЛЕ5, К561ИЕ16.

В состав генератора входит RS-тригегер.

RS-тригегеры в общем случае имеют три входа: S-для установки 1, R- для установки нуля и С для приёма тактируемых импульсов. Состояния RS-триггера, соответствующие различным сочетаниям сигналов на его входах R и S, приведены в таблице 1.

Особенности RS- триггеров заключается в том , что при подаче одновременно

На выходы R и S сигнала 1 состояния триггера на выходе становится неопределённым: схема начинает генерировать или вчение воздействия входных сигналов неоднократно переходя из одного состояния в другой. Для нормальной работы триггера необходимо устранить данное сочетание сигналов.

Таблица 1

Состояние выходов триггера QⁿQⁿявляющиеся составляющей функции элемента памяти и управляющих входов X1X2…Xm.

Рекомендованная схема включения генератора приведена на рисунке 1.3.1.3

Рисунок 1.3.1.3

Конденсатор С1 выбираем из типовой схемы подключения DD1 обычно имеет емкость 0,022 мкФ.

Рассчитаем времязадающие элементы R, С для генератора DD2. Т.к. требуется импульсы тока длительностью около 1 мксек, то из t=RC получаем следующие номиналы элементов:

R54,R55,R56,R57 = 10 кОм;

С11,C12,C13,C14 = 0,1 мкФ.

резисторы R35-R44,R51,R52

Рекомендованная схема включения вычитателя на базе микросхемы LM324N

Представлена на рисунке 1.3.1.4

Рисунок 1.3.1.4

Из рекомендованной изготовителем схемы подключения аналоговой микросхемы DA5 берём значения резисторов R35-R42,R51,R52.

R35,R38 =1 кОм

R36,R37,R39,R40,R41,R42 = 22 кОм

R51,R52=100 Ом

1.3.2Выбор элементной базы

В настоящее время существует несколько технологий производства интегральных микросхем: транзисторно-транзисторная логика(ТТЛ), транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки(ТТЛШ), МОП(МДП) и КМОП транзисторная логика, эмиттерно-связанная логика(ЭСЛ), интегральная инжекционная логика(И2Л). Каждая технология имеет свои достоинства и недостатки. Наиболее распространены МДП и ТТЛ микросхемы, опишем их.

Микросхемы МДП транзисторной логики обладают большой помехозащищённостью по сравнения с микросхемами других типов, высокой нагрузочной способностью, высокой степенью интеграции, однако имеют низкое быстродействие. В этих микросхемах используют для питания и управления напряжения одинаковые полярности, что облегчает задачи последовательно соединения элементов. В микросхемах этой логики используется положительный и отрицательный уровни напряжения, что только усложняет работу проектировщиков. Наиболее распространенные серии: К176, К561, КР1561 и КР564.

ТТЛ микросхемы имеют высокое быстродействие, обширную номенклатуру, хорошую помехоустойчивость. Однако они обладают большой потребляемой мощностью. К настоящему времени разработано большое количество модификаций микросхем ТТЛ, связанных с повышением нагрузочной способности, уменьшением задержек распространения сигналов, обеспеченьем возможности объединения выходов микросхем, уменьшением потребляемой мощности, расширением выполняемых функций. Однако самые распространенные серии ТТЛ микросхем: К155, К555, К531, КР1533 и КР1531. Они различаются по многим электрическим параметрам(потребляемая мощность, входные и выходные токи и пр.), однако напряжение питания у них одинаковое(Uи.п.=5В±10%), а входные и выходные логические уровни совместимы. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипных микросхем из разных серий снимает многие проблемы проектирования электрических схем. Микросхемы ТТЛ ещё отличаются тем, что высокому уровню напряжения соответствует питающее напряжение Uи.п., а низкому уровню – нулевой потенциал(потенциал земли, заземленный вход) или отсутствие напряжения(разомкнутая цепь). Микросхемы ТТЛ имеют большой процент выхода, низкую стоимость, обладают широким функциональным набором и удобной для практического использования.

Точно определить какие микросхемы лучше МДП или ТТЛ нельзя: недостатки одной серии отсутствуют в другой и наоборот. А когда стоит вопрос о применении микросхем, в первую очередь обращают внимание на требуемые параметры. Например, когда не нужно такое высокое быстродействие как у микросхем ТТЛ-серии, а необходима минимальная потребляемая мощность, применяют интегральные микросхемы КМОП-серии.

Магниторезистивные датчики серии HMC1022 отличаются высокой чувствительностью и позволяют измерять самые малые изменения магнитного поля. Они применяются в магнитометрии для решения различных задач: определения угла поворота, положения объекта относительно магнитного поля земли, измерения частоты вращения зубчатых колес и др.

Принцип работы магниторезистивных датчиков основан на изменении направления намагниченности внутренних доменов слоя пермаллоя (NiFe) под воздействием внешнего магнитного поля. В зависимости от угла между направлением тока и вектором намагниченности изменяется сопротивление пермаллоевой пленки. Под углом 90° оно минимально, угол 0° соответствует максимальному значению сопротивления.

Конструкция магниторезистивных датчиков Honeywell состоит из четырех пермаллоевых слоев, которые организованы в мостовую схему. Кроме того, на плату датчика добавлены две катушки: SET/RESET и OFFSET. Катушка SET/RESET создает легкую ось, которая необходима для поддержания высокой чувствительности датчика, катушка OFFSET предназначена для компенсации воздействия паразитных магнитных полей (созданных, например, каким-либо ферромагнитным объектом или металлическими предметами).

Датчики позволяют измерять самые слабые магнитные поля (от 30 мкГаусс) с последующим их преобразованием в выходное напряжение. В конструкции датчика могут быть объединены несколько мостовых схем, образуя, таким образом, двух- и трехосевые сенсоры.

К числу преимуществ магниторезистивных датчиков можно отнести:

• отсутствие зависимости от расстояния между магнитом и датчиком;

• широкий диапазон рабочих температур (от –55 до 150°С);

• датчики зависят только от направления поля, а не его интенсивности;

• долгий срок службы, независимость от магнитного дрейфа.

Микросхема К561ИЕ16 содержит два независимых 4-разрядных двоичных счётчиков с параллельным выходом. Для повышения быстродействия в ИС применён параллельный перенос во все разряды. Подача счётных импульсов может производится либо в положительной полярности (высоким уровнем), либо в отрицательной полярности (низким уровнем).

К561ИЕ16 представляет из себя вычитающий счетчик - делитель, который может быть запрограммирован чтобы делить входную частоту на любое число от 3 до 15999. Выходной сигнал является импульсом с шириной равной периоду тактовой частоты, который повторяется с частотой в "N" раз меньше входной. Счетчик предустанавливается 16-ю входными сигналами.
 Три входа Ka, Kb, Kc определяют модуль деления первой и последней секций счетчика в соответствии с таблицей истинности. Каждый раз, когда первая (самая быстрая) счетная секция проходит один цикл, она уменьшает на 1 число загруженное в трехдекадную промежуточную ступень и в последней счетной секции, которая состоит из триггеров не нуждающихся в работе первой секции. Например, в режиме 2 в первой счетной секции нужен только один триггер. Поэтому последняя счетная секция имеет три триггера, которые могут быть предустановлены в значение до 7-ми в позиции "тысячи". Если для первой секции желательно установить значение 10 то Ka, Kb, Kc устанавливаются в значения 1, 1, 0 и входы 1-4 используются чтобы установить первую счетную секцию и не могут быть использованы для загрузки последней секции. Промежуточная ступень счетчика состоит из трех десятичных счетчиков, устанавливаемых входами 5-16.

Входы выбора режима устанавливают максимальное значение 9999 (когда первая счетная секция делит на 5 или 10) или 15999 (когда первая счетная секция делит на 8, 4 или 2).

Три декады промежуточного счетчика могут быть установлены в двоичное значение 15, а не в десятичное 9 и со своим весом (1, 10, 100) умножается на значение MODE. Например, для MODE=8, числа с которых может начать считать счетчик могут быть следующими:

Сумма этих чисел (2665) умножается на MODE (8) и равна 21320. Первая счетная секция может быть установлена в 7. Поэтому в режиме 8 максимальный устанавливаемый коэффициент равен 21327.

Наибольшее возможное число деления показано в колонке "Расширенный диапазон" в таблице.

Управляющие входы Kb и Kc могут быть использованы для перевода счетчика в состояние "Master preset". В этом состоянии триггера счетчика загружаются значениями входов данных, но счет начинается только после изменения режима.

Перед установкой режима 5 сначала должен быть установлен режим "Master preset".

Когда устанавливается режим "Master preset", он должен длиться не менее трех полных тактовых циклов.

После режима "Master preset" когда входы изменились в один из режимов, следующий положительный фронт тактового импульса изменяет внутреннее состояние микросхемы так, что декремент счетчиков начнется по следующему положительному фронту тактового импульса. Таким образом, после режима "Master preset" должен пройти один лишний тактовый импульс прежде чем выход перейдет в состояние H. Высокий потенциал на входе El заставит счетчик сохранять состояние H с того момента, когда появится выходной импульс, до тех пор, пока на вход El не будет подан потенциал L. Если El=L, выход будет оставаться в состоянии H только один тактовый цикл.

Чтобы разделить частоту на какое-либо число, его значение можно определить по формуле:

N= [MODE] * [1000*Decade 5 Preset + 100*Decade 4 Preset +

10*Decade 3 Preset + 1*Decade 2 Preset] + Decade 1 Preset

Здесь MODE- коэффициент деления первой счетной секции.

Чтобы вычислить значения Preset для каждой декады нужно исходное N разделить на избранный режим.

Пример: N=8479, MODE=5

N/MODE= 8479/5 = 1695 + Остаток (4).

Входы: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16

Значения: 0 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0

Проверка:

N= 5(1000*1 + 100*6 + 10*9 + 1*5) + 4 = 8479

Микросхема серии LM324N(КР1401УД2А) представляет собой операционный усилитель, на основе которого можно создать различные по назначению радиотехнические устройства. Операционный усилитель – это усилитель с большим коэффициентом усиления и непосредственными связями, применимый а основном в качестве активного элемента в схемах с обратными связями. При достаточном коэффициенте усиления ОУ по напряжению передаточная характеристика устройства вместе c цепями обратной связи может являться функцией только параметров цепей обратной связи, не зависящих от усиления. Помимо выполнения с помощью ОУ традиционных математических операций, таких как суммирование, вычитание, интегрирование и дифференцирование, на ОУ реализуют различные УПТ, усилители переменного напряжения, логарифмические усилители, видео усилители, усилители ограничители, активные фильтры, модуляторы и демодуляторы, функциональные преобразователи, генераторы гармонических колебаний, стабилизаторы напряжение и тока

Рис. 1.3.2.1 Схема операционного усилителя LM324N(КР1401УД2А)

Похожие работы

Средства радиоконтроля

Скачать

57155

1

2

... сигнал на когерентность, исключает случайные, побочные результаты измерений без потери чувствительности частотомера. Анализаторы спектра Этот уже достаточно развитый, но еще перспективный вид средств радиоконтроля предназначен для сканирования частотных спектров модулированных сигналов в различных частотных диапазонах и отображения на экране дисплея/осциллографа этих спектров. В случае, ...

Эффект Холла

Скачать

16000

6

6

... . 6. Датчик ЭДС Холла. Датчик ЭДС Холла – это элемент автоматики, радиоэлектроники и измерительной техники, используемый в качестве измерительного преобразователя, действие которого основано на эффекте Холла. Представляет собой тонкую прямоугольную пластину (площадь – несколько мм2), или пленку, изготовленную из полупроводника (Si, Ge, InSb, InAs), имеет ...

Электричество и магнетизм

Скачать

189451

18

0

... проводимости, запрещенная валентная зона, энергия активации). 8.  Температурная зависимость полупроводников. Литература, рекомендуемая к лабораторной работе:   10.  Матвеев А.Н. Электричество и магнетизм.- М.: Высшая школа, 1983. 11.  Калашников С.Г. Электричество. – М.: Наука, 1977. 12.  Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2, Т. 3. – М.: Наука, 1977. 13.  Телеснин Р.В., Яковлев В.Ф. Курс ...

Ответы по курсу физики

Скачать

70310

0

0

... с помощью гигрометра и психометра.   № 5 Термодинамика. Равновесное состояние. Обратимые и необратимые процессы. Внутренняя энергия термодинамической системы   Термодинамика – раздел физики, в котором изучаются закономерности тепловой формы движения материи и связанных с ней физических явлений. Термодинамическая система – совокупность макроскопических тел, которые могут обмениваться между ...